基于USRP的GPS基带信号源设计与实现

钱建军， 陈树新

(空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710000)



·计算机技术应用·

基于USRP的GPS基带信号源设计与实现

钱建军， 陈树新

(空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710000)

介绍了GPS信号源的现状，分析了GPS信号源设计中目前被广泛采用的中频信号源结构，得出该设计实现复杂并且不利于教学的结论。针对国家级军用导航实验教学示范中心的卫星导航教学课程，提出了使用基于DQUC(直接正交上变频技术)的GPS基带信号源实现方案。分析了信号源的组成模块，对信号源的各个模块实现原理进行了介绍。针对参数更新频率较低以及基带信号发生带来的计算量过大等问题进行了分析，并给出了解决方案。同时采用LabVIEW软件与USRP(通用软件无线电外设),实现的结果验证了设计的可行性。

GPS信号源； 基带信号； USRP； LabVIEW

0 引 言

GPS(Global Positioning System)是目前全球范围内应用最广的导航系统。在GPS接收机的研发过程中，GPS信号源可以为研发者提供不同环境下的GPS信号，加速了GPS的发展。同时作为实验室仪器它也有着很好的应用价值，被很多导航相关院校所采用。国内部分院校与研究机构对该领域研究比较深入，有一定的相关成果。目前已有的产品多采用中频信号发射方案[1-3]，其实现过程较为复杂，在参数生成、中频信号发生等模块设计上不够直观，不利于教学。本文对目前被广泛采用的GPS信号源设计方法进行分析，围绕国家级军用导航实验教学示范中心的卫星导航教学课程，根据DQUC技术提出基于LabVIEW与USRP的GPS基带信号源设计方法，简化了设计工作。同时利用LabVIEW这种简单、直观的编程方法使其基带设计更加容易理解，提升了导航实验教学的效果。

1 GPS信号产生方案比较

GPS分别在L1、L2频段上发射信号，其中L1频率为1 575.42 MHz，由P码与C/A码来同时实现扩频调制；L2频率1 227.6 MHz完全由P码来调制。而P码仅授权特许用户使用，因此对于GPS信号源研发来说，只需考虑L1频点的C/A码扩频信号[4]。其发射端表达式为：

(1)

由于传输时延以及多普勒频偏的影响接收机前端所收到的多颗卫星信号如下：

(2)

其中:τi为卫星信号码相位延时;fid为卫星信号的载波频偏;θi为载波初相[5]。GPS信号源就是要精确仿真以上接收端信号模型，尤其是要能准确地仿真时延以及多普勒频偏。GPS信号源主要采用软件无线电理论来进行方案设计。根据软件无线电原理，信号发射机有中频发射方案与基带(零中频)发射方案之分[6]。下面针对GPS信号源的实现来对两种方案进行分析。

1.1 中频信号发生方案

目前国内现有的GPS信号源大都采用中频信号发生方案来实现。中频信号表达式为：

(3)

其中,电文、C/A码、幅度参数AIFi、频偏fid与码相位延时τi由计算机来生成或由计算机辅助DSP生成。由于中频频率较高一般为数十MHz，同时计算量比较大，因此要采用FPGA单独作为中频信号发生单元。延时、频偏等相关参数由DSP或其他处理器控制传输至中频信号发生单元来完成信号的数字调制。生成的数字中频信号要经过后续的数模变换带通滤波、上变频等一系列处理最后才能完成GPS射频信号的发生。其系统总体结构框图一般为如图1形式。

图1 GPS中频信号源结构

从以上系统结构可以看出，中频信号发生方案虽然是基于软件无线电的思想来实现GPS射频信号的发生，但需采用芯片单独作为中频信号发生模块，产生的中频信号还需经过中频放大、滤波、变频处理，其硬件开销比较大。另一方面，采用此方法来实现信号源，其核心中频部分由FPGA来实现。从实验教学的角度来看，该实现方法不够直观，需要进一步改进。

1.2 基带信号发生方案

基带信号也可称之为零中频信号，它是将实信号进行正交采样后得到的结果。信号存在正谱和负谱，在采样时，正负谱形成的分延拓分量之间必须保证不混叠。而正交采样相当于对一个通过希尔伯特变换的解析信号进行采样，对此信号进行采样时无需考虑负谱延拓分量产生的混叠。实际中希尔伯特变换实现较难，因此采用正交采样来实现，所以在同相与正交两条支路上分别进行速率为fs=B的采样就可以消除混叠现象[7],B为民用信号带宽。

基于以上理论，可以考虑先生成GPS基带信号，再利用直接正交上变频技术(DQUC)来实现GPS信号的发生。对接收机前端信号进行正交分解可得：

(4)

设采样率为fs=1/Ts，多颗卫星的数字基带信号如下式所示：

(5)

GPS信号中C/A码扩频部分对应的带宽为C/A码码率的2倍2.046 MHz。考虑接收端信号存在频率偏移，静止或地动态用户接收信号会受到卫星运动产生的±5 kHz内的频偏，而高动态下会存在不超过±10 kHz范围的频偏，对信号的带宽影响不大。因此产生基带信号的采样速率fs≈2.046 MS/s即可。

对于低采样速率的基带信号，如果仍旧使用FPGA芯片来专用作基带信号的发生无疑是一种浪费。因此可将基带信号生成也使用计算机来实现，以简化整个系统的硬件设计。而接口控制、数字上变频(Digital Up Converter,DUC)正交上变频部分则使用通用软件无线电外设(Universal Software Radio Platform,USRP)来实现。整个GPS信号源系统方案如图2所示。

图2 GPS基带信号源结构

2 系统设计与实现

由于采用了USRP来实现基带信号的前端处理，因此信号源的设计工作主要集中在基带信号的发生部分。基带部分采用LabVIEW软件来实现设计， LabVIEW作为一种图形化的编程方法，有着编程简单易懂，运行方便的优点，LabVIEW所产生的基带数据通过以太网传输至USRP以保证传输速率。单颗卫星的基带发生部分的框图如图3所示，其整个工作过程主要由以下几个模块构成。

图3 单颗卫星基带信号发生框图

2.1 星历数据读取

由于不涉及场景设计，因此系统中所采用导航电文采用观测站所公布的GPS卫星、星历数据来生成。过去的每一天的星历都可在互联网上下载，格式采用标准的Rinex格式，从每日的零点起每两小时提供一整套新的星历数据[8-9]。星历抽取模块会根据所发送信号对应的GPS时来选择对应时段的整套星历,每套星历的有效时间是以参考时间toe为中心的4 h之内。所读取的星历存储后等待选星结果来选择对应的数据。

2.2 选 星

由于卫星数目是可设置的，因此信号源需要根据用户的位置、当前时间来选择所需卫星的最佳几何分布[10-11]。目前已存在多种选星方法，本设计中直接采用最佳选星法来实现选星过程。其实现过程如下：

(1) 判决星历中的可见星(相对用户仰角为5°以上的卫星);

(2) 从可见星中选所需数目的所有可能组合;

(3) 对所有卫星组合的GDOP值进行计算，并选出其中最小的组合作为最佳星。

2.3 组织导航电文与C/A码

选星模块完成最佳卫星选择并输出卫星对应编号。导航电文生成模块根据收到的卫星编号选择对应的卫星星历并将星历写入到对应的数据帧中。导航电文是按照固定帧格式形成的二进制数据流。文件(IS-GPS-200H)中有其具体格式与C/A码生成方法的详细描述。

2.4 延时与频偏参数

延时与频偏参数的生成是信号源中的最关键模块之一。式(4)中的时间t指的是各颗卫星到达接收机前端的时间[12-13]，不能将此时间参数作为确定卫星发射时位置的时间参数。要确定每颗卫星对应信号的发射时间，需要通过迭代的方法来进行递推。本设计所采用的做法是以当前要模拟的接收信号时间tr作为卫星信号的发射时刻tt，计算出卫星坐标，进而算出卫星到用户间的距离，距离转化为时延后用发射时间减去传输时延作为发射时间再次带入卫星坐标。两次迭代之间要进行误差判决，并设定一门限值当差值小于此门限则停止迭代。

另一方面,由于地球自转的影响，卫星在信号发射时刻与接收时刻所处的ECEF坐标系会有所区别，忽视这种影响会造成约50 m的伪距误差[14-15]。因此利用发射时间确定卫星位置后，要将卫星坐标进行坐标转换以确定其在接收时刻坐标系中的位置。

整个模块涉及到多次的卫星位置的计算以及坐标转换，因此计算量很大。为了减少计算量在设计参数的更新频率时，采用每0.01 s进行一次计算。同时为了与基带发生速率相匹配，此处采用3次样条插值以提高更新速率。

2.5 基带信号合成

基带信号模块依照式(5)来进行数字基带信号的发生。工作过程如下：

(1) 根据当前采样时刻索引对应的幅度、延时与频偏参数。

(2) 用采样时刻减去延时作为C/A码与D码的索引参数来确定当前码片值。

(3) 将幅度、延时与频偏参数代入到公式(5)中计算相应的正交与同相数字载波。

(4) 将C/A码与D码异或值转化为双极性后与数字载波相乘完成基带信号的发生。

(5) 计算多颗卫星基带叠加值，并将结果传输至队列当中等待写入USRP完成上变频。

2.6 基带发生速率

本设计中队列中可存储的基带信号由计算机内存大小来决定。一旦内存中的基带信号全部发送完毕，而新的基带信号却未能生成，那么USRP则会停止工作。为此要保证基带生成速率足够赶得上约2 MHz的IQ基带数据率。

由于采用软件实现来实现基带数字信号，每一采样时刻要计算多颗卫星的基带信号再进行叠加，这一过程带来了计算量的增加。为了充分发挥计算机的性能、提升基带数据发生速率、避免内存中数据耗尽，此处利用LabVIEW在实现多线程上的优势来实现了多核计算基带信号偶数时刻与奇数时刻的样值。过程如图4所示。

图4 多线程基带信号发生

3 运行与验证

验证过程使用手机终端来验证信号源发送的GPS信号能否被识别。手机终端自带GPS接收模块，软件方面使用GPS Test来分析信号。信号源设定载波频率为1 575.42 MHz，基带数据传输速率为2 MS/s，星历起始时刻为UTC时间14年3月22日0时，发生卫星数目设置为8颗，用户位置34°N,108°E。启动上位机中的基带信号发生程序，确定信号已发送后，观察发现该时段最佳卫星PRN被选为2,5,9,18,21,26,29。

通过手机GPS Test终端查看定位结果如图5所示，与设置坐标对比存在微小的误差，在可接受范围内。卫星星座如图6所示，识别出的GPS卫星序号与发送端一致为7颗。发射与设置卫星数目相比少一颗，其原因可能为发射时可见星数目为7颗。

图5 GPSTest定位坐标图6 GPSTest星座显示

4 结 语

本设计基于软件无线电技术，采用了USRP与LabVIEW结合开发方式，使GPS信号模拟源设计工作转变为在LabVIEW上的软件设计，大大简化了GPS模拟源的设计工作量。采用数字基带信号合成的方式保证了模拟器信号精度和通道一致性，最终实现的信号源可以满足接收机的部分测试需求。信号源设计思路简洁、直观易懂，于导航实验教学中取得较好的效果。

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Design and Implementation of GPS Baseband Signal Source Based on USRP

QIANJian-jun,CHENShu-xin

(College of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710000， China)

This paper introduces the current situation of GPS signal a source and analyzes the structure of IF signal source which is widely used. Then the paper comes to a conclusion that this design is complicated to realize, and is adverse in teaching. In order to improve the satellite navigation course in national military navigation experimental teaching demonstration center，the paper proposes a GPS baseband signal source designing scheme based on direct quadrature up-conversion. All modules of the signal source are analyzed in the paper, and the principles of their realization are also introduced. The paper analyses problems such as low parameters update frequency and large amount of calculation and give solutions to them. At the same time LabVIEW software and USRP are used to realize the design. And the feasibility of the design is verified.

GPS signal source; baseband signal; USRP; LabVIE

2015-01-22

国家自然科学基金项目(50875132)

钱建军(1990-)，男，安徽宣城人，硕士生，研究方向：卫星导航理论。Tel.:15691807750;E-mail:609080785@qq.com

陈树新(1965-)，男，陕西商南人，博士，教授，研究方向：卫星导航理论。Tel.:13389271028;E-mail:chenshuxin68@163.com

TN 967.1

A

1006-7167(2015)10-0072-04